DE10119668A1 - Verfahren zur Spannungsstabilisierung eines Wechselstromgenerators mit wechselnder Rotordrehzahl - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Spannungsstabilisierung eines Wechselstromgenerators mit wechselnder Rotordrehzahl besteht darin, dass die erzeugte Spannung eines Wechselstromgenerators bei sich wechselnder Drehzahl des Rotors konstant gehalten wird. Die Steuerung erfolgt kontaktlos mittels eines Hochfrequenz-Impulsgenerators. Der Transformator des Hochfrequenz-Impulsgenerators ist geteilt, wobei sich der rotierende Teil auf der Rotorachse und der andere Teil stationär außerhalb des Rotors befindet. Beide Teile sind durch einen Luftspalt getrennt. Die Abweichungen von der voreingestellten Ausgangsspannung steuern den Impulsgenerator, dessen Impulse durch den Transformator an den Leistungsteil des Rotors übertragen werden. Der komplette Leistungsteil, der aus Wicklung (14) und elektronischem Schalter (11) besteht, ist auf dem Rotor angeordnet, so dass nur Steuerströme kontaktlos übertragen werden müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsstabilisierung eines Wechselstromgenerators mit wechselnder Rotordrehzahl, wie sie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, Windenergieerzeugern, Turbomotoren oder Notstromaggregaten Anwendung finden.

Es ist bekannt, dass ein Wechselstromgenerator-Induktor mit einer Diode im Stromkreis des selbstmagnetisierenden Rotors ausgestattet ist. Der Nachteil solcher Generatoren ist die Erzeugung einer nichtstabilen Spannung bei Änderung der Drehzahl des Rotors.

Die Selbstmagnetisierung des Rotors über eine kontaktlose induktive Energieübertragung zu regeln, um eine bestimmte, vorher festgelegte stabile Ausgangsspannung zu erhalten, ist ebenfalls bekannt. Technisch wurde dies bisher dadurch erreicht, dass zur Spannungsstabilisierung eines Wechselstromgenerators mit wechselnder Rotordrehzahl zusätzlich ein Hochfrequenz-Impulsgenerator eingefügt wird, der über einen Trans­ formator mit zwei Wicklungen, die auf getrennten Magnetkernen angeord­ net sind, den Rotorstrom reguliert.

Eine derartige Lösung ist bereits im georgischen Patent GE P 2000 2161 B beschrieben. Der Nachteil dieser Erfindung besteht darin, dass kontaktlos grosse Ströme übertragen werden müssen. Die neue Erfindung beseitigt diesen Mangel.

Erfindungsgemäss wird das dadurch gelöst, dass sich im Rotor (2) ein elektronischer Schalter (11) befindet, der die ankommenden Steuerimpulse des Hochfrequenzimpulsgenerators in Unterbrechungen des Selbstmagnetisierungsstromes umsetzt. Es erfolgt eine kontaktlose Übertragung von nur kleinen Steuerströmen. Das verbessert wesentlich das Steuersystem, und damit wird insgesamt die Zuverlaessigkeit und der Wirkungsgrad des Wechselstromgenerators erhöht.

Die elektrische Blockschaltung des Verfahrens zur Spannungsstabilisierung eines Wechselstromgenerators mit wechselnder Rotordrehzahl ist in Fig. 1 dargestellt.

Nachfolgend wird eine detailierte Beschreibung des neuen Verfahrens ge­ geben:
Eine Komperatorschaltung im Hochfrequenz-Impulsgenerator bestimmt einen Toleranzbereich, in dem die Stabilisierung der Frequenz des Wechselstromgenerators erfolgen soll.

Erst wenn die Spannung des Wechselstromgenerators den oberen Wert der gewünschten Nennspannung erreicht, bewirkt die Komperator­ schaltung im Hochfrequenz-Impulsgenerator (4), dass der Hochfrequenz- Impulsgenerator (4) und der elektronische Schalter (11) zu arbeiten beginnen. Von dem feststehenden Magnetkern (7) werden auf den mit dem Rotor (2) rotierenden Magnetkern (6) Steuerimpulse des Hochfrequenz-Impulsgenerators (4) übertragen und über eine mitrotierende Schaltung (10) an den elektronischen Schalter (11) entsprechende Steuerbefehle gegeben, um den Rotorstrom zu reduzieren.

Dadurch wird die Selbstmagnetisierung des Rotors reduziert und eine niedrigere Spannung generiert.

Sinkt die Generatorspannung auf den unteren Grenzwert der gewünschten Nominalspannung, so erhält der Schalter (11) über andere Steuerimpulse des Hochfrequenz-Impulsgenerators (4), die kontaktlos an die mit­ rotierende Schaltung (10) gelangen, den Befehl, den Rotorstrom zu erhöhen, um einen beliebigen Verbraucher ausreichend zu versorgen, z. B. einen Akkumulator (3) mit der erforderlichen Spannung aufzuladen.

Wenn die generierte Spannung des Wechselstromgenerators grösser wird als der obere Grenzwert der Nominalspannung, bewirkt der Komperator, dass der Hochfrequenz-Impulsgenerator (4) zu schwingen aufhört. Zwi­ schen den Magnetkernen (6) und (7) werden keine Impulse übertragen und damit wird der elektronische Schalter (11) geöffnet und der Strom der Selbstmagnetisierung des Rotors unterbrochen. Dieses Wechselspiel der Ein- und Abschaltung kann sich abhängig von der gewünschten Toleranz der Nominalspannung beliebig oft wiederholen. Es wird begün­ stigt von der Hysterese des Generatormaterials und der Art des Ver­ brauchers. Die Ladung eines Akkumulators hilft wesentlich bei der Stabi­ lisierung der Spannung in engen Grenzen.

Der in Fig. 1 dargestellte Widerstand (13) schützt bei hohen Drehzahlen den elektronischen Schalters (11) vor zu hohen Spannungen, indem er die Wicklung (14) immer, auch bei keinem Stromfluss über den elektronischen Schalter (11) mit einem minimalen Strom belastet.

Die Diode (15) schützt den elektronischen Schalter (11) gegen falsche Polarisierung.

Das wiederholte Ein- und Abschalten führt dazu, dass jeweils an die rotierende Schaltung (10) Impulspakete übertragen werden. Die Länge dieser Impulspakete kann bei einer schnellen Drehzahländerung, z. B. bei einem Fahrzeug durch schnelle Beschleunigung, dadurch beeinflusst wer­ den, dass die Länge der Impulspakete auch durch eine zusätzliche Steuerung im Hochfrequenz-Impulsgenerator (4) von der Frequenz der Spannung des Wechselstromgenerators, das heisst von seiner Drehzahl beeinflusst wird. Das heisst mit anderen Worten: Eine schnell ansteigende Drehzahl und damit eine stark ansteigende Wechselspannung führt zu einem längeren Impulspaket und damit zu einer stärkeren Reduzierung des Rotorstromes über den elektronischen Schalter (11). Das setzt selbstverständlich voraus, dass der elektronische Schalter (11) nicht nur ein- und ausschaltet, sondern so über die mitrotierende Elektronik (10) programmierbar ist, dass er abhängig von der Länge des Impulspaketes den Rotorstrom stufenweise mehr oder weniger reduziert.

Als besonders geeignet wurde die Erfindung für das Laden von Akkumulatoren bezeichnet. Das Verfahren eignet sich selbstverständlich auch für alle anderen Anwendungen, wo von einem Wechsel­ stromgenerator mit wechselnder Drehzahl ein Verbraucher mit konstanter Spannung betrieben werden soll. Das betrifft z. B. eine Beleuchtung, eine elektrische Wasserpumpe oder ähnliche Anwendungen.

Aus der Verfahrensbeschreibung der Erfindung gehen schon viele Hinweise auf die Gestaltung von geeigneten Schaltungen hervor. Sie wurden nicht im einzelnen beschrieben, da es sich meist um Schaltungsvarianten der klassischen Elektronik handelt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Spannungsstabilisierung eines Wechselstrom­ generators mit wechselnder Rotordrehzahl, bestehend aus einem Rotor (2) mit einer Wicklung (14) auf mindestens zwei ausgeprägten Polen und einem Stator (1) mit Wicklung (12), wobei der Selbst­ magnetisierungsstrom des Rotors (2) über eine elektronische Schaltung, abhängig von der erzeugten Spannung des Wechsel­ stromgenerators geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Selbstmagnetisierungsstrom des Rotors (2) von einer mitrotie­ renden Elektronik (10) gesteuert wird, wobei die Steuerimpulse eines Hochfrequenz-Impulsgenerators (4) an die mitrotierende Elektronik (10) kontaktlos übertragen werden.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die mitrotierende Elektronik (10) einen ebenfalls mitrotierenden elektronischen Schalter (11) betätigt, der die ankommenden Steuerimpulse eines stationären Hochfrequenz- Impulsgenerators (4) in Unterbrechungen des Selbstmag­ netisierungsstromes des Rotors (2) umsetzt.

3. Wechselstromgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die kontaktlose Übertragung der Hochfrequenzimpulse zur rotierenden Steuerung (10) induktiv, über einen Transformator, bestehend aus dem rotierenden Magnetkern (6) mit Wicklung (8) und dem feststehenden Magnetkern (7) mit Wicklung (9) erfolgt, wobei zwischen den Magnetkernen (6) und (7) ein Luftspalt vorhanden ist, um eine berührungslose Rotation der Magnetkerne (6) und (7) gegeneinander zu ermöglichen.

4. Wechselstromgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Impulsgenera­ tor (4) einen Komperator enthält, welcher den Hochfrequenz-Im­ pulsgenerator (4) abhängig von der erzeugten Spannung des Wech­ selstromgenerators ein- und abschaltet, so dass die Steuerimpulse als Impulspakete über einen Transformator mit den geteilten Mag­ netkernen (6) und (7) kontaktlos übertragen werden.

5. Wechselstromgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Komperator das Ein- und Ab­ schalten des Hochfrequenz-Impulsgebers (4) bestimmt und eine zusätzliche Steuerung im Hochfrequenz-Impulsgebers (4) vorhanden ist, die abhängig von der Frequenz des Wechselstromgenerators die Dauer der Impulspakete verändert.

6. Wechselstromgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselemente in der mitrotierenden elektronischen Schaltung (10) die Dauer des Stromflusses im elektronischen Schalter (11) abhängig von der Dauer der Impulspakete verändern.